Die heliCam™ macht nicht nur schwache optische Signale sichtbar. In Kombination mit geeigneten physikalischen Messprinzipien kann sie auch Informationen über Größen liefern, die eine Kamera nicht direkt erfasst – beispielsweise Magnetfelder oder Millimeterwellen.
Drei neue Publikationen zeigen dieses Potenzial aus zwei sehr unterschiedlichen Perspektiven. Eine Arbeit nutzt eine Rubidium-Dampfzelle und die heliCam™ als hochauflösende Magnetfeldkamera. Zwei weitere Arbeiten untersuchen, wie Millimeterwellen mithilfe eines Plasmas in moduliertes nahinfrarotes Licht umgewandelt und anschließend mit der heliCam™ detektiert werden können.
Magnetfeldkamera: mehr als 7.000 Messpunkte in einer einzigen Dampfzelle
In der Arbeit „Magnetic field camera for zero-field conditions“ präsentieren Ronja Rasser und ihre Kollegen ein kamerabasiertes optisch gepumptes Magnetometer für den Betrieb nahe dem magnetischen Nullfeld.
Das eigentliche Sensorelement ist eine nur 300 µm dicke Rubidium-Dampfzelle. Ein Laserstrahl durchleuchtet die gesamte Zelle. Das lokale Magnetfeld beeinflusst den Zustand der Rubidiumatome und damit die Intensität des transmittierten Lichts. Die heliCam™ C4 erfasst diese kleinen, modulierten Intensitätsänderungen parallel über die Fläche und demoduliert sie direkt in jedem Pixel.
Mit einem Binning von 5 × 5 Kamerapixeln realisiert das System mehr als 7.000 nutzbare Messpunkte innerhalb eines kreisförmigen Bereichs von rund 4 mm Durchmesser. Die resultierende räumliche Auflösung beträgt etwa 40 µm. Begrenzt wurde sie im aktuellen Aufbau nicht durch das atomare Messprinzip, sondern vor allem durch Interferenzen an den unbeschichteten Fenstern der Dampfzelle, die ein Binning der Kamerapixel erforderlich machten.
Die Forschenden zeichneten unter anderem die räumliche Verteilung eines mit 130 Hz oszillierenden Magnetfeldgradienten auf. Damit zeigt die Arbeit, dass sich mit einer einzigen Dampfzelle nicht nur viele Messkanäle realisieren lassen, sondern auch zeitlich veränderliche Magnetfeldmuster bildgebend erfassen lassen.
Zur Publikation in Optics Express
Millimeterwellen sichtbar machen: Plasma als optischer Konverter
Die Arbeit „First Demonstration of Lock-In Camera-Enabled Optical Up-Conversion Imaging for Millimeter-Wave Detection Using Glow Discharge Plasma“ verfolgt ein völlig anderes Messprinzip.
Millimeterwellen können optisch undurchsichtige Materialien durchdringen und sind nicht ionisierend. Empfindliche zweidimensionale Detektoren sind jedoch häufig teuer, langsam oder technisch aufwendig. Die Autoren verwenden deshalb eine kleine Glimmentladungslampe – einen sogenannten Glow Discharge Detector – als Konverter.
Trifft modulierte Millimeterwellenstrahlung auf das Plasma in der Lampe, verändert sie geringfügig dessen Emission im nahen Infrarot. Diese schwache Modulation liegt auf einem wesentlich stärkeren, kontinuierlichen Plasmaleuchten. Genau hier kommt die Lock-in-Detektion zum Einsatz: Die heliCam™ C4 erhält dasselbe Referenzsignal, mit dem auch die Millimeterwellenquelle moduliert wird. Jeder Kamerapixel extrahiert dadurch gezielt den synchronen Anteil der optischen Emission und unterdrückt das unkorrelierte Hintergrundlicht.
Im Experiment arbeitete die Millimeterwellenquelle im Bereich von 100 bis 105 GHz. Ein einzelner Glow Discharge Detector wurde mechanisch über ein Raster von 11 × 11 Positionen bewegt. Aus den Messwerten rekonstruierten die Forschenden das Bild eines etwa 50 × 60 mm großen, F-förmigen Metallobjekts.
Die optische Erfassungszeit betrug rund 100 ms pro Scanposition, gegenüber etwa 90 Sekunden bei einem früheren kamerabasierten Verfahren mit Bildsubtraktion. Das entspricht einer Verbesserung um nahezu drei Größenordnungen. Die vollständige Aufnahme dauerte im Demonstrator allerdings länger, weil der einzelne Detektor zwischen den Rasterpunkten mechanisch verschoben werden musste. Der nächste konsequente Schritt wäre daher ein zweidimensionales Array aus Glow Discharge Detectors, das ohne mechanisches Scannen auskommt.
Zur Publikation in Electronics
Eine Glimmentladung als natürliches Pixelarray?
Die dritte Arbeit „Debye-length-resolved detection in glow discharge plasma: toward a self-contained focal plane array for millimeter-wave imaging“ baut auf derselben Kombination aus Millimeterwellen, Plasma-Upconversion und heliCam™ C4 auf, stellt aber eine weiterführende Frage: Muss man für ein flächiges Detektorarray tatsächlich viele einzelne Glimmentladungslampen anordnen – oder könnte bereits das Plasma innerhalb einer einzigen Lampe räumlich getrennte Messbereiche bereitstellen?
Ausgangspunkt ist die sogenannte Debye-Länge. Sie beschreibt die charakteristische räumliche Skala, über die elektrische Ladungen in einem Plasma abgeschirmt werden. Die Autoren schlagen vor, lokale Plasmabereiche dieser Größenordnung als voneinander unterscheidbare Sensorelemente zu betrachten. Eine phasensensitive Kamera könnte die räumlich verteilte, durch Millimeterwellen modulierte Nahinfrarotemission dieser Bereiche parallel auslesen.
Erste Messungen zeigen räumliche Unterschiede in der Plasmaemission, die mit lokal unterschiedlichen Reaktionen auf die Millimeterwellenanregung vereinbar sind. Die Arbeit ist jedoch bewusst als Konzept und Ausblick zu verstehen: Eine Detektion mit nachgewiesener Auflösung auf der Skala der Debye-Länge wurde im vorliegenden Experiment noch nicht realisiert. Das Paper beschreibt vielmehr einen möglichen Weg zu einem kompakten, kostengünstigen Millimeterwellen-Detektor, bei dem eine einzelne Plasmaentladung selbst die Funktion eines Focal-Plane-Arrays übernimmt.
Zur Publikation in den SPIE Proceedings
Ein gemeinsamer Trend: Die Kamera wird Teil des Sensors
Die drei Arbeiten behandeln zwei sehr unterschiedliche physikalische Größen. Gemeinsam ist ihnen jedoch ein grundlegendes Prinzip: Das gesuchte Signal wird zunächst in eine kleine, räumlich verteilte Änderung von Licht übersetzt. Die heliCam™ erfasst anschließend nicht einfach ein Bild, sondern demoduliert die zeitliche Signatur parallel an jedem Bildpunkt.
Bei der Magnetfeldkamera übernimmt die Rubidium-Dampfzelle die Rolle des Sensors. Bei der Millimeterwellenmessung ist es das Plasma einer Glimmentladungslampe. In beiden Fällen ermöglicht die pixelweise Lock-in-Detektion, schwache modulierte Signale von einem wesentlich stärkeren optischen Hintergrund zu trennen.
Besonders spannend ist dabei die Entwicklung innerhalb der beiden Plasmaarbeiten: Die erste Publikation demonstriert die vollständige Messkette bis zum rekonstruierten Millimeterwellenbild. Die zweite fragt bereits, wie sich das Plasma selbst zu einem räumlich aufgelösten Detektor weiterentwickeln ließe.
Solche Forschungsarbeiten zeigen, wie aus der Kombination von neuartigen Sensormedien und bildgebender Lock-in-Technologie neue Messinstrumente entstehen können. Wir freuen uns darauf, die nächsten Schritte dieser Forschungsgruppen mit der heliCam™ zu begleiten.
Diese und weitere Arbeiten finden Sie auf unserer Seite Publikationen zur Lock-in-Kamera.
Heliotis AG